植物穩(wěn)定同位素研究進(jìn)展與展望

1、第25卷第3期2006年5月地理科學(xué)進(jìn)展PROGRESS IN GEOGRAPHY Vol.25,No.3May,2006收稿日期:2006-03;修訂日期:2006-05.基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展(973計(jì)劃(編號(hào):2003CB415101。作者簡(jiǎn)介:吳紹洪(1961-,男,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事陸地表層格局與全球變化研究。E-mail:wush植物穩(wěn)定同位素研究進(jìn)展與展望吳紹洪1,2,潘韜1,3,戴爾阜1(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京100101;2.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所,北京100085;3.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100049摘要:植物穩(wěn)定同位素是近年來在地

2、理學(xué)、生態(tài)學(xué)研究中逐步廣泛應(yīng)用的研究手段,具有綜合長(zhǎng)期生物地球化學(xué)過程和聯(lián)系不同系統(tǒng)成分的特點(diǎn),國(guó)際上已經(jīng)展開了較為廣泛的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)也有相關(guān)研究。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外植物C 、H 、O 穩(wěn)定同位素研究的回顧,顯示植物穩(wěn)定同位素與環(huán)境因子,如氣溫、濕度、降水、環(huán)境穩(wěn)定同位素組成等密切相關(guān)。目前植物穩(wěn)定同位素技術(shù)主要應(yīng)用于歷史時(shí)期環(huán)境氣候的重建,恢復(fù)大氣CO 2同位素組成以及CO 2濃度的變化趨勢(shì)。本文根據(jù)植物穩(wěn)定同位素的特點(diǎn)和研究基礎(chǔ),認(rèn)為植物穩(wěn)定同位素方法不僅可以用來重建歷史時(shí)期氣候,而且在區(qū)域環(huán)境差異及其生態(tài)效應(yīng)研究上有著重要應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:植物;穩(wěn)定同位素;分餾;氣候變化;區(qū)域環(huán)境差異中圖分類號(hào)

3、:P951植物生長(zhǎng)除了受到植物體本身各種生理因素的控制外,還深受地理環(huán)境因子的制約1。這些環(huán)境因子的影響可以通過植物體的內(nèi)部特征得到反映,如樹木年輪寬度、密度、植物纖維素穩(wěn)定同位素組成等。其中,植物體從環(huán)境中吸收穩(wěn)定同位素,經(jīng)過一系列的分餾過程后,成為植物體纖維素的一部分,分析其組成的時(shí)空變化可以反映自然環(huán)境的變化和空間特征,是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于氣候變化、環(huán)境差異研究的一種技術(shù)手段2。植物穩(wěn)定同位素記錄的環(huán)境信息十分豐富,包括植物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度、降水量、源水同位素組成、大氣成分等2,具有綜合長(zhǎng)期生物地球化學(xué)過程和聯(lián)系不同系統(tǒng)成分的特點(diǎn),國(guó)際上已經(jīng)展開了比較廣泛的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)也有相關(guān)研究。

4、本文重點(diǎn)回顧植物穩(wěn)定同位素在國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展,分析其基本原理、研究?jī)?nèi)容與方法以及當(dāng)前主要應(yīng)用領(lǐng)域,并探討其在區(qū)域環(huán)境差異研究中的應(yīng)用前景。1植物穩(wěn)定同位素研究和應(yīng)用的進(jìn)展植物穩(wěn)定同位素技術(shù)是近30年來得到迅速發(fā)展和應(yīng)用的一種新技術(shù)手段,旨在通過分析植物體穩(wěn)定性同位素組成來揭示地理環(huán)境要素的時(shí)空變化特征。1.1國(guó)外的植物穩(wěn)定同位素研究2地理科學(xué)進(jìn)展25卷植物穩(wěn)定同位素的研究開始于20世紀(jì)70年代。20世紀(jì)70年代初,Farmer等率先將植物穩(wěn)定C同位素示蹤引入大氣CO濃度變化的研究3。他們利用植物13C值推斷出1900年2濃度分別為290.5ppm和312.7ppm,這一結(jié)果非常接近從南極冰

5、芯中和1920年的大氣CO2獲得的同年份大氣CO濃度值約295.4ppm和306.6ppm,初步展示了植物穩(wěn)定同位素在地2學(xué)方面的應(yīng)用前景4。與此同時(shí),Libby等首先使用了樹木年輪穩(wěn)定同位素溫度計(jì)的概念,指出可以通過樹輪穩(wěn)定同位素序列重建歷史時(shí)期溫度變化5。1974年,Schiegl最先探討了D (氘與溫度等的關(guān)系,雖然他采用的是全輪樣品而使結(jié)果受到干擾,但是他仍發(fā)現(xiàn)了兩者之間的相關(guān)性6。1976年,Epstein等統(tǒng)計(jì)了北美、歐洲廣大地理區(qū)域內(nèi)眾多現(xiàn)代樹木纖維素D 與環(huán)境要素的關(guān)系,認(rèn)為在干旱半干旱地區(qū),植物穩(wěn)定同位素的短期波動(dòng)是由于降水量的變線性相關(guān),并且提供了降水同位素組成的可靠化而引

6、起的,植物纖維素D與環(huán)境水DM W信息7。同年,Gray分析了北美不同緯度樹木的18O與平均氣溫(T之間的相關(guān)性,結(jié)果比較明顯8。Pearman1976年發(fā)表在Nature雜志上的論文“樹木年輪穩(wěn)定C同位素在氣候研究中的應(yīng)用”比較完整的闡述了植物穩(wěn)定C同位素在氣候變化研究中的應(yīng)用前景9。同年,Libby 發(fā)表在Nature發(fā)表的文章“樹木同位素氣候參數(shù)”一文奠定了植物穩(wěn)定同位素技術(shù)在地理學(xué)、生態(tài)學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)10。由此,也引發(fā)了各國(guó)學(xué)者,如McCarroll D.,Dawson T.E.等2,1117對(duì)植物穩(wěn)定同位素分餾機(jī)制、環(huán)境影響因子、學(xué)科應(yīng)用,以及同位素分析技術(shù)手段、模型建立和研究方法的大

7、量研究和討論,并在全球展開了植物穩(wěn)定同位素的應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)的植物穩(wěn)定同位素研究我國(guó)的植物穩(wěn)定同位素研究起步于20世紀(jì)80年代后期,中國(guó)科學(xué)院西安黃土與第四紀(jì)地質(zhì)研究室做了些探索性的工作,初步建立了樹輪穩(wěn)定C同位素的研究方法,并利用樹輪穩(wěn)定C同位素方法對(duì)秦嶺地區(qū)的區(qū)域性氣候模式進(jìn)行了研究18。進(jìn)入90年代,我國(guó)逐步開始在全國(guó)各個(gè)地區(qū)展開了植物穩(wěn)定C、H和O同位素與環(huán)境氣候關(guān)系的研究,通過分析植濃度、降水、溫度等氣候物葉片、樹木年輪、埋藏古木、花粉等穩(wěn)定同位素組成狀況,對(duì)CO2要素時(shí)空分布特征進(jìn)行了恢復(fù)和重建1923。總的來說,我國(guó)的植物穩(wěn)定同位素研究在應(yīng)用領(lǐng)域開展工作較多,對(duì)植物穩(wěn)定同位素技術(shù)

8、的原理與理論基礎(chǔ)探討尚且不足。我國(guó)具有研究植物穩(wěn)定同位素的優(yōu)越條件,工業(yè)活動(dòng)進(jìn)行的時(shí)間比歐美諸國(guó)都晚、強(qiáng)度較小,尤其在西部高海拔地區(qū)所受的各種污染輕微,植物穩(wěn)定同位素組成對(duì)氣候的響應(yīng)更為敏感,這些都為植物穩(wěn)定同位素與環(huán)境氣候研究提供了相當(dāng)有利的自然條件。1.3植物穩(wěn)定同位素研究的不同階段綜觀國(guó)內(nèi)外植物穩(wěn)定同位素的研究不同階段具有不同的研究?jī)?nèi)容和特點(diǎn)。20世紀(jì)70年代是國(guó)際植物穩(wěn)定同位素研究的起步階段。通過實(shí)踐積累,已經(jīng)對(duì)植物穩(wěn)定同位素有了起初的感性認(rèn)識(shí),學(xué)者們初步探討了植物穩(wěn)定同位素可能攜帶的環(huán)境信息710。Farmer首次利用植物C同位素反演大氣CO濃度變化,并獲得了較高的精度,為植物穩(wěn)定同

9、位素的應(yīng)用2開拓了局面3。進(jìn)入80年代,為了完善植物穩(wěn)定同位素技術(shù)的理論基礎(chǔ),深入了解植物穩(wěn)定同位素的3期吳紹洪等:植物穩(wěn)定同位素研究進(jìn)展與展望分餾機(jī)制及其組成與環(huán)境氣候因子之間的關(guān)系,植物生理學(xué)家、地理學(xué)家、生態(tài)學(xué)家展開了大量關(guān)于植物穩(wěn)定同位素分餾原理的研究,發(fā)現(xiàn)植物自身的生理作用與環(huán)境因子是造成同位素分餾的兩個(gè)主要因素,并在實(shí)際研究中逐步建立環(huán)境氣候參數(shù)與植物穩(wěn)定同位素組成之間的關(guān)系14,2432。80年代后期,我國(guó)學(xué)者開始相關(guān)研究,在實(shí)際工作中獲得了比較成功的研究案例18,33。90年代后,國(guó)際上的植物穩(wěn)定同位素研究開始逐步趨向成熟,并向著定量化、精確化、多應(yīng)用領(lǐng)域的方向發(fā)展。在這期間建

10、立了很多植物穩(wěn)定同位素的分餾模型以及與環(huán)境因子的關(guān)系模型16,3436,應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也在不斷擴(kuò)大。作為環(huán)境地球化學(xué)的一個(gè)重要分支,植物穩(wěn)定同位素環(huán)境氣候?qū)W在全球變化、區(qū)域環(huán)境差異等研究領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)2,11,3739。我國(guó)植物穩(wěn)定同位素研究領(lǐng)域偏重于利用樹輪穩(wěn)定同位素序列進(jìn)行歷史時(shí)期氣候的重建。與國(guó)際同期研究相比,我國(guó)這方面的技術(shù)手段與研究領(lǐng)域都顯得有些單一和局限。2植物穩(wěn)定同位素研究的主要內(nèi)容植物穩(wěn)定同位素研究的核心內(nèi)容是建立植物C、H、O等同位素豐度的時(shí)空變化與氣候參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,以便將植物穩(wěn)定同位素組成變化的信息轉(zhuǎn)化為環(huán)境氣候的時(shí)空變化和分布信息。2.1基本原理綠色植物通過光合

11、作用吸收二氧化碳和水并合成有機(jī)物,植物體纖維素中C、H、O同位素來源于CO2和H2O40。因此,植物體中C、H、O穩(wěn)定同位素組成反映了植物生長(zhǎng)時(shí)大氣圈和水圈的同位素組成特點(diǎn)。此外,穩(wěn)定C、H、O同位素進(jìn)入植物體后發(fā)生的分餾主要受到植物本身生理作用(光合作用、蒸騰作用等和環(huán)境氣候因子兩方面的影響41。植物本身的生理作用造成的分餾一般具有確定的方向和一定的強(qiáng)度,確定的分餾方向和強(qiáng)度范圍體現(xiàn)了樹木生物化學(xué)分餾遵循特定的模式;環(huán)境因子造成的穩(wěn)定同位素分餾的方向和強(qiáng)度則是可變的,變化范圍顯示出環(huán)境氣候因子的影響。環(huán)境氣候因子通過對(duì)植物自身生理作用分餾過程的影響將自身變化的信息記錄在植物的穩(wěn)定同位素組成上

12、,采用適當(dāng)?shù)纳锘瘜W(xué)分餾模式和研究方法,就可以從植物穩(wěn)定同位素組成中解譯出環(huán)境氣候信息。2.2C、H、O穩(wěn)定同位素的分餾機(jī)制分餾機(jī)制研究主要是探討植物生理活動(dòng)中同位素分餾的過程、強(qiáng)度以及環(huán)境因子的影響,并試圖最終建立植物同位素組成與環(huán)境氣候參數(shù)之間的理論關(guān)系,以此作為信息轉(zhuǎn)換函數(shù)。這方面的工作包括生物化學(xué)過程的分餾機(jī)制、分餾系數(shù)、分餾模式等內(nèi)容,也是植物穩(wěn)定同位素研究的理論基礎(chǔ)工作。2.2.1C同位素植物通過葉片從大氣中吸收CO2并進(jìn)行光合作用合成植物體的有機(jī)物質(zhì)。研究表明,C從大氣進(jìn)入葉片并參與光合作用的過程中發(fā)生了兩次重要的分餾作用:1大氣CO2通過葉片氣孔向葉內(nèi)擴(kuò)散過程的動(dòng)力分餾。在這個(gè)

13、過程里,含有輕同位素(12C的CO2分子要比含3地理科學(xué)進(jìn)展25卷有重同位素(13C的CO2分子的擴(kuò)散速度更快,結(jié)果造成13C值降低4.4左右;2CO2進(jìn)入光合循環(huán),合成有機(jī)物過程中的動(dòng)力分餾。由于13CO2健能較12CO2大,參與同化作用較多,導(dǎo)致13C值降低272925,42。在此基礎(chǔ)上,Farquhar提出了植物固碳過程中13C同位素分餾的表達(dá)式:13C p=13C a-a-(b-a(c i/c a(1其中:13C p為植物葉穩(wěn)定O同位素的13C值;13C a為大氣的13C值;a表示是氣孔擴(kuò)散CO2時(shí)對(duì)13C分餾作用(-4.4;b表示羧化作用引起的生物分餾值(-27;c i和c a分別表

14、示細(xì)胞間與大氣的CO2濃度25。這一分餾模式的建立為根據(jù)植物C同位素組成重建大氣CO2濃度及13C提供了理論依據(jù),但模式?jīng)]有闡明氣候因子對(duì)植物C同位素分餾的影響。2.2.2H、O同位素植物的H、O同位素來源于水40。研究表明,水分從根部向枝干的運(yùn)輸過程不會(huì)發(fā)生同位素分餾現(xiàn)象43。然而,葉片表面的蒸騰作用明顯造成富集H、O重同位素15,44,光合作用過程發(fā)生的一系列生化反應(yīng)也可導(dǎo)致同位素分餾12,45。葉片光合作用由CO2和H2O合成葡萄糖的過程中羰基氧與H2O分子中氧原子發(fā)生交換,從而發(fā)生分餾31。因此,氧原子交換的比率決定了植物纖維素O同位素的組成狀況,這對(duì)于分析植物O同位素組成所攜帶的氣候

15、信號(hào)有著重要意義16,36。另外,生物體代謝方式的不同也可能引起合成碳水化合物分子同位素組成的差異,造成H/D比率的變化14。葉片的18O富集狀況可以由下面的公式表示:18O e=*+k+(18O v-ke a/e i(2其中:*表示由H218O造成的低水汽壓;k表示水從氣孔到葉片邊緣產(chǎn)生的分餾;18O v表示大氣中水汽的O同位素組成;ea 與ei分別表示外界與細(xì)胞間的水汽壓35,39,46,47。模型解釋了蒸騰作用引起葉片表面重同位素富集的過程。由此式可以看出,葉片的同位素富集狀況主要取決于源水與環(huán)境水汽之間的同位素組成差異,以及葉片內(nèi)部與外部的水汽壓之比。然而,該模型的不足是它僅僅考慮了蒸

16、騰作用本身的富集作用,卻忽略了植物體不斷向葉片輸入的含有輕同位素的水分會(huì)使葉片同位素比值的總體水平降低。2.3穩(wěn)定同位素組成與環(huán)境因子關(guān)系研究溫度、濕度、降水、環(huán)境水同位素組成等環(huán)境因子影響植物穩(wěn)定同位素的分餾過程乃至植物穩(wěn)定同位素組成。因此,植物穩(wěn)定C、H、O穩(wěn)定同位素的組成攜帶了溫度、濕度、大氣成分、降水量以及環(huán)境水同位素組成等環(huán)境氣候信息。2.3.1溫度1976年,Pearman等首次利用樹輪全木13C值計(jì)算出13C對(duì)溫度的響應(yīng)系數(shù),他們認(rèn)為對(duì)于不同樹種來說,樹輪13C值的溫度系數(shù)也有所不同9。隨后的研究結(jié)果表明,植物13C 與溫度之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系,植物13C值可作為古溫度的替代指

17、標(biāo)48。Schiegl最先探討了Dt與T的關(guān)系,雖然他采用的是全輪樣品而使結(jié)果受到干擾,但是他仍發(fā)現(xiàn)了兩者之間的相關(guān)性6。Kuilian Tang等研究表明,樹輪D序列與當(dāng)年溫度相關(guān),且其與溫度的變化率范圍為4.73.4/之間38。Gray等觀察到洛磯山東西兩側(cè)降水18O隨溫度的降低而43期吳紹洪等:植物穩(wěn)定同位素研究進(jìn)展與展望下降,這種趨勢(shì)在美國(guó)西南部生長(zhǎng)的植物纖維素同位素也有所體現(xiàn)24。Yapp等得出的植物O穩(wěn)定同位素的年平均溫度的變化率(5.8/與降水O同位素的年平均溫度的變化率(5.6/極為接近49。2.3.2濕度濕度也是影響植物穩(wěn)定同位素分餾的重要因子之一。大氣濕度很低時(shí),氣孔導(dǎo)度和

18、細(xì)胞內(nèi)CO2濃度低,因而導(dǎo)致植物纖維素13C值高。Saurer等發(fā)現(xiàn)山毛櫸植物13C值與49月的空氣濕度顯著相關(guān)32。Hemming等發(fā)現(xiàn)橡樹、山毛櫸和松樹植物13C值的高頻變異與69月平均濕度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.52、-0.62和-0.6750。Yapp與Epstein最先用23個(gè)現(xiàn)代植物樣品,以統(tǒng)計(jì)方法得出植物氫同位素分餾系數(shù)與生長(zhǎng)季節(jié)平均相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。Ed-wards等總結(jié)前人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),葉片水與源水O同位素之間的比率差相對(duì)于測(cè)得的和推導(dǎo)的相對(duì)濕度具有比較一致的關(guān)系。然而,也有研究顯示并沒有發(fā)現(xiàn)植物穩(wěn)定同位素與濕度之間的相關(guān)關(guān)系,這也許是大氣水汽同位素與濕度之間存在的一種反饋機(jī)

19、制27,34。同時(shí)White等也認(rèn)為如果大氣水汽與樹木的源水未達(dá)到完全的同位素平衡,那么大氣水汽同位素的變化將掩蓋掉植物穩(wěn)定同位素的濕度信號(hào)34。2.3.3降水量在降水量不足的地區(qū),樹木在水分脅迫下通常通過調(diào)節(jié)氣孔阻力以避免過多的水分蒸發(fā),因而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)CO2濃度降低,引起植物13C的變化。因此,干旱、半干旱地區(qū)植物13C 的變化可以用降水量的變化加以解釋30。Freyer等發(fā)現(xiàn)植物13C與春季降水明顯相關(guān)51。眾多研究表明植物13C與降水量之間存在相關(guān)關(guān)系,并可以算出降水系數(shù)17,52,53。Epstein等認(rèn)為植物穩(wěn)定同位素的短期波動(dòng)是由于降水量的變化而引起的7。Lawrence于20世紀(jì)

20、80年代初對(duì)紐約北部白松的研究結(jié)果顯示,植物H同位素組成與降水量之間呈明顯的反相關(guān)關(guān)系54。Lipp對(duì)德國(guó)冷杉的研究也得出,Dt與降水量之間的反相關(guān)關(guān)系17。Ramesh等發(fā)現(xiàn)D 與生長(zhǎng)季降水量之間的關(guān)系為-0.106±0.102/mm,但地形以及距海洋的遠(yuǎn)近對(duì)于植物同位素組成與降水量的相關(guān)關(guān)系影響明顯,在山區(qū)和海洋附近,它們之間的相關(guān)程度明顯降低55。2.3.4環(huán)境同位素組成植物穩(wěn)定同位素比值與環(huán)境水的同位素比值線性相關(guān),尤其是在干旱半干旱地區(qū),植物同位素提供了降水同位素組成的可靠信息7,28。Epstein統(tǒng)計(jì)了北美、歐洲廣大地理區(qū)域內(nèi)眾多現(xiàn)代植物Dt 與環(huán)境水DM W的關(guān)系,結(jié)

21、果顯示兩者間呈較好的正相關(guān)關(guān)系7。Edwards以及Buhay等人分別用植物D、18O序列推導(dǎo)了環(huán)境水同位素的歷史變化28。Edwards11根據(jù)蒸騰分餾理論模式推導(dǎo)出了植物氫氧同位素組成與降水氫氧同位素組成之間的分餾方程(3和(4。其中:Dt、18O t分別為植物H、O同位素組成;D M W、18O M W分別為降水H、O同位素組成;an、a e、a k分別表示凈生物化學(xué)分餾因子、動(dòng)力分餾因子與平衡分餾因子;h為相對(duì)濕度。1000+Dt 1000+DMW =2an2ae2ak-2an(2ae2ak-1h(31000+18Ot 1000+18OMW =18an18ae18ak-18an(18a

22、e18ak-1h(45同位素的分餾機(jī)制是植物穩(wěn)定同位素方法應(yīng)用的重要理論基礎(chǔ),影響同位素分餾的因素十分復(fù)雜,目前的研究多集中在氣候因子對(duì)分餾的影響上。2.4穩(wěn)定同位素組成與歷史時(shí)期氣候關(guān)系研究在植物穩(wěn)定同位素研究中,目前應(yīng)用較多的是通過樹輪穩(wěn)定同位素序列進(jìn)行時(shí)間尺度上的氣候變化研究。植物C、H、O穩(wěn)定同位素為重建全球氣候的演化提供了新的線索。2.4.1歷史時(shí)期環(huán)境氣候的重建Craig于1954年利用北美巨杉的整輪進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)樹輪纖維素13C組成記錄了大氣氣候信息,這是一項(xiàng)具有開創(chuàng)性的工作56。70年代后,陸續(xù)有植物生理學(xué)家、生態(tài)學(xué)家分別就C、H、O同位素的分餾機(jī)制以及它們的組成與環(huán)境因子之間

23、的關(guān)系進(jìn)行研究和討論,為植物穩(wěn)定同位素在生態(tài)環(huán)境研究中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)68,10。80年代以來,隨著質(zhì)譜技術(shù)的進(jìn)步和植物生理學(xué)的發(fā)展,樹輪穩(wěn)定同位素研究也得到了很大的飛躍。近10年來國(guó)際上利用植物穩(wěn)定同位素方法重建歷史氣候的部分研究案例見表1。2.4.2恢復(fù)大氣CO2碳同位素組成以及CO2濃度的變化趨勢(shì)的濃度與13C值之間呈反相關(guān)關(guān)系57。前已敘述Farmer等研究了大氣CO2的大氣CO2濃度與13C的關(guān)系,后來許多成功的例子證明這種方法是切實(shí)可行的。如Peng等(1983獲得的1850年之前的大氣CO濃度值在245270ppm之間變化;Stuiver等認(rèn)為1600年大氣2CO2濃度值以及

24、公元2351850年的平均值分別為268ppm和276ppm,這些結(jié)果均較接近已值。表1同時(shí)列出了近年來利用植物C同位素組成變化監(jiān)測(cè)大氣有報(bào)導(dǎo)的同期大氣CO2CO2濃度演變趨勢(shì)的部分研究成果。3植物穩(wěn)定同位素技術(shù)在區(qū)域環(huán)境差異研究中應(yīng)用展望植物穩(wěn)定同位素地球化學(xué)作為一門新興的學(xué)科和技術(shù)手段近年來經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。同位素質(zhì)譜分析技術(shù)的改進(jìn)、植物生理學(xué)的發(fā)展為植物穩(wěn)定同位素方法提供了良好的技術(shù)和理論基礎(chǔ),目前國(guó)內(nèi)外植物穩(wěn)定同位素的研究多集中于通過樹木年輪纖維素穩(wěn)定同位素進(jìn)行時(shí)間尺度的氣候重建。然而,利用植物穩(wěn)定同位素進(jìn)行區(qū)域環(huán)境空間差異研究卻是一個(gè)十分值得探索的嶄新領(lǐng)域。Lawrence在20世紀(jì)

25、80年代指出可以將不同地區(qū)的樹木年輪穩(wěn)定同位素資料進(jìn)行對(duì)比分析,以獲得氣候要素歷史上的空間分布54。多地區(qū)樣本的對(duì)比分析不僅可以反映降水同位素的空間分布,還可以反映出在不同地區(qū)的分布差異。Feng等利用不同地區(qū)樹輪的穩(wěn)定同位素序列研究得出,不論在時(shí)間還是空間尺度上20世紀(jì)的氣候變化都比19世紀(jì)更明顯58。實(shí)際上,從全球尺度對(duì)各個(gè)地區(qū)的植物同位素序列進(jìn)行對(duì)比研究對(duì)于了解全球規(guī)模上的氣候變化具有重要意義。然而截至目前,植物穩(wěn)定同位素的空間格局研究仍很少。影響植物穩(wěn)定同位素分餾的環(huán)境氣候參數(shù)不僅存在時(shí)間尺度上的演化,還存在空間分布上的地域差異,不同地區(qū)植物穩(wěn)定同位素的組成狀況攜帶了不同的環(huán)境氣候信號(hào)

26、。因此,可以通過分析不同區(qū)域的植物穩(wěn)定同位素的組成狀況,解釋其區(qū)域分布所反映的地理環(huán)境空間差異。表1植物穩(wěn)定同位素方法研究部分案例Tab.1A partial summary of research papers on stable isotopes in plants 注:Q表示Quercus;A.alba表示Abies alba(fir;F.sylv表示Fagus sylvatica(Beech.資料來源:見參考文獻(xiàn)2.植物穩(wěn)定同位素的空間應(yīng)用包括現(xiàn)代地理環(huán)境和歷史環(huán)境空間格局?，F(xiàn)代地理環(huán)境的空間格局研究著眼于各種現(xiàn)代地理環(huán)境要素在空間上的差異性和運(yùn)動(dòng)特征,如溫度、水分、降水等的區(qū)域差異以

27、及大氣、水汽的空間循環(huán);將一定歷史時(shí)期一定區(qū)域內(nèi)的植物穩(wěn)定同位素綜合起來對(duì)比研究,則可以獲得這個(gè)時(shí)期該區(qū)域的歷史環(huán)境空間格局特征。Feng等對(duì)比中國(guó)季風(fēng)區(qū)10000年前全新世早期魚鱗云杉樹輪與現(xiàn)在的白扦云杉樹輪H同位素含量,發(fā)現(xiàn)古樹的D要比現(xiàn)代的低45,而其它手段(孢粉、硅藻等已經(jīng)證明了全新世早期的季風(fēng)強(qiáng)度要比現(xiàn)代強(qiáng)烈37。這個(gè)現(xiàn)象在某種程度上證明了季風(fēng)氣候區(qū)里季風(fēng)的強(qiáng)弱是植物穩(wěn)定同位素組成的一個(gè)重要因子。季風(fēng)因子的發(fā)現(xiàn)對(duì)于季風(fēng)區(qū)的植物穩(wěn)定同位素研究來說具有重要的意義。我國(guó)是季風(fēng)氣候典型的國(guó)家,季風(fēng)對(duì)我國(guó)大部分地區(qū)植物同位素組成的影響,在某種程度上可能會(huì)超過溫度等其它效應(yīng),對(duì)我國(guó)植物穩(wěn)定同位素

28、組成的地理分布起著決定性的作用。尤其是在我國(guó)西南這樣一個(gè)季風(fēng)氣候交匯的典型區(qū)域,雨季同時(shí)受到來自印度洋和西太平洋的西南季風(fēng)與東南季風(fēng)的影響。對(duì)不同的洋面來說,蒸發(fā)量/降雨量、洋流運(yùn)動(dòng)、溫度和鹽度分布的不均等因素都可能導(dǎo)致海洋水H、O同位素的局部差異,印度洋與西太平洋的海水也具有不同的H、O同位素組成33,59,60。不同季風(fēng)攜帶的水汽形成降水被植物體吸收,這樣H、O穩(wěn)定同位素組成進(jìn)入了植物體纖維素中,植物體H、O同位素組成信息記錄了不同水汽來源信息。在季風(fēng)交匯區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格式布點(diǎn)采樣,分析植物穩(wěn)定H、O同位素在該區(qū)域不同地點(diǎn)的組成分布特征,有可能探測(cè)出不同季風(fēng)對(duì)該區(qū)的影響范圍,進(jìn)而從“地-氣-水-

29、生”系統(tǒng)交互作用的角度探討造成這種分布差異的生態(tài)效應(yīng)。另外,由區(qū)域的植物H、O穩(wěn)定同位素組成狀況,根據(jù)H、O穩(wěn)定同位素從大洋到達(dá)植物體內(nèi)的整個(gè)過程中不同階段的分餾模型,進(jìn)而示蹤該區(qū)的水汽運(yùn)動(dòng)路徑和水汽來源。因此,將植物穩(wěn)定同位素方法應(yīng)用于區(qū)域環(huán)境差異研究,是重建歷史時(shí)期氣候之外的又一新的領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1吳祥定,樹木年輪與氣候變化.北京:氣象出版社,1999.2McCarroll D,Loader N J.Stable istopes in tree rings.Quaternary Science Reviews,2004,23:771801.3Farmer J G,Bax

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38、素與夏季風(fēng)降水的相關(guān)性討論.地球化學(xué),2005,34(1:5156.23孫艷榮,穆治國(guó),崔海亭,埋藏古木樹輪碳、氫、氧同位素研究與古氣候重建.北京大學(xué)學(xué)報(bào),2002,38(2.24Gray J,Thompson.Natural variations in the18O content of cellulose.in Carbon Dioxide Effects:Research and AssessmentProgram,Proceedings of the International Meeting on Stable Isotopes in Tree-ring Research.1980,

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